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JP2007025369A - Optical modulator - Google Patents

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JP2007025369A
JP2007025369A JP2005208845A JP2005208845A JP2007025369A JP 2007025369 A JP2007025369 A JP 2007025369A JP 2005208845 A JP2005208845 A JP 2005208845A JP 2005208845 A JP2005208845 A JP 2005208845A JP 2007025369 A JP2007025369 A JP 2007025369A
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optical
optical waveguide
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interaction
optical waveguides
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Application number
JP2005208845A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Kono
健治 河野
Masaya Nanami
雅也 名波
Yuji Sato
勇治 佐藤
Yasuji Uchida
靖二 内田
Nobuhiro Igarashi
信弘 五十嵐
Toru Nakahira
中平  徹
Hiroaki Senda
宏明 仙田
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Anritsu Corp
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Anritsu Corp
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical modulator which works at a high speed, has a small alpha parameter and a large extinction ratio, and also has a small driving voltage and DC bias voltage. <P>SOLUTION: The optical modulator has a Mach-Zehnder optical waveguide equipped with a substrate 1 having electrooptic effect, an optical waveguide 12 formed on the substrate 1 and guiding light, and a progressive-wave electrode 4 comprising a center conductor 4a for a high-frequency electric signal formed on one surface side of the substrate 1 and applying the high-frequency electric signal for modulating light and ground conductors 4b and 4c, and the optical waveguide 12 has a plurality of optical waveguides 12a and 12b for interaction which modulate the phase of the light by applying the high-frequency electric signal to the progressive-wave electrode 4. The plurality of optical waveguides 12a and 12b for interaction have at least one or more high-refractive-index areas 13a and 13b, where the plurality of optical waveguides 12a and 12b for interaction are different in refractive index from each other in a section perpendicular to the length of the optical waveguide 12, partially along the lengths. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は高速でアルファパラメータが小さく、かつ消光比が大きく、また駆動電圧とDCバイアス電圧が小さい光変調器の分野に属する。   The present invention belongs to the field of optical modulators having high speed, a small alpha parameter, a large extinction ratio, and a small driving voltage and DC bias voltage.

リチウムナイオベート(LiNbO)のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板(以下、リチウムナイオベート基板をLN基板と略す)に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器(以下、LN光変調器と略す)は、その優れたチャーピング特性から2.5Gbit/s、10Gbit/sの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに40Gbit/sの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。 An optical waveguide and a traveling wave electrode are provided on a substrate having a so-called electro-optic effect (hereinafter, the lithium niobate substrate is abbreviated as an LN substrate) such as lithium niobate (LiNbO 3 ) whose refractive index is changed by applying an electric field. The formed traveling wave electrode type lithium niobate optical modulator (hereinafter abbreviated as LN optical modulator) is applied to a 2.5 Gbit / s, 10 Gbit / s large capacity optical transmission system because of its excellent chirping characteristics. Yes. Recently, application to an ultra large capacity optical transmission system of 40 Gbit / s is also being studied, and it is expected as a key device.

[第1の従来技術]
このLN光変調器にはz−カット基板を使用するタイプとx−カット基板(あるいはy−カット基板)を使用するタイプがある。ここでは、第1の従来技術としてx−カットLN基板とコプレーナウェーブガイド(CPW)進行波電極を使用したx−カット基板LN光変調器をとり上げ、その斜視図を図8に示す。図9は図8のA−A’における断面図である。なお、以下の議論はz−カット基板でも同様に成り立つ。
[First prior art]
This LN optical modulator includes a type using a z-cut substrate and a type using an x-cut substrate (or y-cut substrate). Here, an x-cut substrate LN optical modulator using an x-cut LN substrate and a coplanar waveguide (CPW) traveling wave electrode is taken up as a first prior art, and a perspective view thereof is shown in FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. The following discussion holds true for z-cut substrates as well.

図中、1はx−カットLN基板、2は1.3μm、あるいは1.55μmなど光通信において使用する波長領域では透明な200nmから1μm程度の厚みのSiOバッファ層、3はx−カットLN基板1にTiを蒸着後、1050℃で約10時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系(あるいは、マッハツェンダ光導波路)を構成している。なお、3a、3bは電気信号と光が相互作用する部位(相互作用部と言う)における光導波路(あるいは、相互作用光導波路)、つまりマッハツェンダ光導波路の2本のアームである。CPW進行波電極4は中心導体4a、接地導体4b、4cからなっている。 In the figure, 1 is an x-cut LN substrate, 2 is a transparent SiO 2 buffer layer having a thickness of about 200 nm to 1 μm in the wavelength region used in optical communication such as 1.3 μm or 1.55 μm, and 3 is an x-cut LN. This is an optical waveguide formed by thermally diffusing Ti at 1050 ° C. for about 10 hours after depositing Ti on the substrate 1, and constitutes a Mach-Zehnder interference system (or Mach-Zehnder optical waveguide). Reference numerals 3a and 3b denote optical waveguides (or interactive optical waveguides) in a portion where an electrical signal and light interact (referred to as an interaction portion), that is, two arms of a Mach-Zehnder optical waveguide. The CPW traveling wave electrode 4 includes a central conductor 4a and ground conductors 4b and 4c.

図9において、WとWは相互作用光導波路3aと3bの幅で、この第1の従来技術では2本の相互作用光導波路3aと3bの幅は等しいものとする(つまり、W=Wで、例えばW、Wとも9μm)。Gwgは相互作用光導波路3aと3bの間の距離(導波路ギャップとも言う)であり、例えば16μmである。また、Swgは相互作用光導波路3aと3bの中心間の距離である(この例の場合には25μmとなる)。Δは中心導体4aのエッジと相互作用光導波路3a、もしくは3bの中心との距離である(この図では中心導体4aのエッジと相互作用光導波路3bの中心との距離としている)。 In FIG. 9, W a and W b are the widths of the interaction optical waveguides 3a and 3b. In the first prior art, the widths of the two interaction optical waveguides 3a and 3b are equal (that is, W a = W b , for example, W a and W b are both 9 μm). G wg is a distance (also referred to as a waveguide gap) between the interactive optical waveguides 3a and 3b, and is, for example, 16 μm. Further, S wg is the distance between the centers of the interactive optical waveguides 3a and 3b (in this example, it is 25 μm). Δ is the distance between the edge of the center conductor 4a and the center of the interaction optical waveguide 3a or 3b (in this figure, the distance between the edge of the center conductor 4a and the center of the interaction optical waveguide 3b).

図10には光導波路3についてのみの上面図を示している。ここで、相互作用光導波路3a、3bの長さをLとする。なお、この図10は光導波路のみではあるが、図8の斜視図におけるA−A’に対応する位置にA−A’と記している。   FIG. 10 shows a top view of only the optical waveguide 3. Here, let L be the length of the interaction optical waveguides 3a and 3b. Although FIG. 10 shows only the optical waveguide, A-A ′ is indicated at a position corresponding to A-A ′ in the perspective view of FIG. 8.

この第1の従来技術では、中心導体4aと接地導体4b、4c間にバイアス電圧(通常はDCバイアス電圧)と高周波電気信号(RF電気信号とも言う)を重畳して印加するので、相互作用光導波路においてはRF電気信号のみならず、DCバイアス電圧も光の位相を変える。また、バッファ層2は電気信号のマイクロ波実効屈折率nを相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光の実効屈折率nに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。 In the first prior art, a bias voltage (usually a DC bias voltage) and a high-frequency electric signal (also referred to as an RF electric signal) are superimposed and applied between the center conductor 4a and the ground conductors 4b and 4c. In the waveguide, not only the RF electrical signal but also the DC bias voltage changes the phase of the light. Further, the microwave effective index n m of the interaction optical waveguides 3a of the buffer layer 2 is an electrical signal, by approximating the effective refractive index n o of the light propagating the 3b, and important function of expanding the optical modulation band is doing.

次に、このように構成されるLN光変調器の動作について説明する。このLN光変調器を動作させるには、中心導体4aと接地導体4b、4c間にDCバイアス電圧とRF電気信号とを印加する必要がある。   Next, the operation of the LN optical modulator configured as described above will be described. In order to operate this LN optical modulator, it is necessary to apply a DC bias voltage and an RF electrical signal between the center conductor 4a and the ground conductors 4b and 4c.

図11に示す電圧−光出力特性はある状態でのLN光変調器の電圧−光出力特性であり、Vbはその際のDCバイアス電圧である。この図11に示すように、通常、DCバイアス電圧Vbは光出力特性の山と底の中点に設定される。   The voltage-light output characteristics shown in FIG. 11 are the voltage-light output characteristics of the LN optical modulator in a certain state, and Vb is the DC bias voltage at that time. As shown in FIG. 11, the DC bias voltage Vb is normally set at the midpoint between the peak and bottom of the light output characteristic.

図12には、半波長電圧Vπと相互作用光導波路の長さLとの積(Vπ・Lと呼ばれ、駆動電圧を考える上で尺度となる)と中心導体4aのエッジと相互作用光導波路3bの中心との距離Δとの関係を示す。この計算では、光導波路3a、3b間のギャップGwgを変化させることによりΔの値を決定している。図12から、中心導体4aのエッジと相互作用光導波路3bの中心との距離Δはある程度小さいほうが良く、さらには最適値が存在することがわかる。 FIG. 12 shows the product of the half-wave voltage Vπ and the length L of the interactive optical waveguide (referred to as Vπ · L, which is a measure for considering the driving voltage), the edge of the center conductor 4a, and the interactive optical waveguide. The relationship with the distance Δ from the center of 3b is shown. In this calculation, the value of Δ is determined by changing the gap Gwg between the optical waveguides 3a and 3b. From FIG. 12, it can be seen that the distance Δ between the edge of the center conductor 4a and the center of the interactive optical waveguide 3b should be small to some extent, and further, there exists an optimum value.

そこで、駆動電圧を低くするために、中心導体4aのエッジと相互作用光導波路3b(及び3a)の中心との距離Δを小さくしようとすると、相互作用光導波路3a、3b間のギャップGwgが小さくなる。ところが、図13に示すように、相互作用光導波路3a、3b間のギャップGwgが小さくなると、相互作用光導波路3a、3b間の結合度が著しく大きくなり、光をON/OFFした際のパワーの比、即ち消光比の劣化を生じるという問題があった。 Therefore, if the distance Δ between the edge of the center conductor 4a and the center of the interaction optical waveguide 3b (and 3a) is decreased in order to reduce the drive voltage, the gap Gwg between the interaction optical waveguides 3a and 3b is increased. Get smaller. However, as shown in FIG. 13, when the gap Gwg between the interaction optical waveguides 3a and 3b decreases, the degree of coupling between the interaction optical waveguides 3a and 3b increases remarkably, and the power when the light is turned on / off is increased. There is a problem that deterioration of the ratio, that is, extinction ratio occurs.

[第2の従来技術]
一般に、2本の光導波路の間における結合度を小さくするためには、2本の光導波路間の距離Gwgを大きくすることにより各光導波路を伝搬する光を互いに遠ざけるか、2本の光導波路の幅を互いに異ならしめて、2本の光導波路を伝搬する光の等価屈折率(あるいは伝搬定数)を変えることにより、互いの結合を抑圧するという方法がある。
[Second prior art]
In general, in order to reduce the degree of coupling between two optical waveguides, the distance Gwg between the two optical waveguides is increased to keep the light propagating through each optical waveguide away from each other, or the two optical waveguides There is a method of suppressing mutual coupling by changing the widths of the waveguides and changing the equivalent refractive index (or propagation constant) of light propagating through the two optical waveguides.

ところが、2本の光導波路間の距離Gwgを大きくすると図12において説明したようにVπ・Lが大きくなり、結果的に高い駆動電圧が必要となる。そのため、図14に断面図として示す第2の従来技術では、2本の相互作用光導波路5a、5bの幅W’、W’を異ならしめている。図15にはこの第2の従来技術の光導波路5のみの上面図を示している。図14では図15のB−B’における断面図にx−カットLN基板1、中心導体4a、接地導体4b、4c及びバッファ層2を含めている。 However, when the distance Gwg between the two optical waveguides is increased, Vπ · L is increased as described in FIG. 12, and as a result, a high drive voltage is required. Therefore, in the second prior art shown as a cross-sectional view in FIG. 14, the widths W a ′ and W b ′ of the two interactive optical waveguides 5a and 5b are made different. FIG. 15 shows a top view of only the optical waveguide 5 of the second prior art. In FIG. 14, the x-cut LN substrate 1, the central conductor 4a, the ground conductors 4b and 4c, and the buffer layer 2 are included in the cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.

ところがこの第2の従来技術にはいくつかの問題点がある。まず、相互作用光導波路5aと5bの中心間の距離Swg’を一定にしたまま、相互作用光導波路5aと5bの幅を異ならしめることを考える。例えば、相互作用光導波路5aの幅W’を狭く、相互作用光導波路5bの幅W’を広くする。この場合、相互作用光導波路5aの幅W’が狭くなるので、相互作用光導波路5aを伝搬する光は相互作用光導波路5aから漏れ出し、結果的にそのスポットサイズは広がる。また、相互作用光導波路5bの幅W’を広くするので、相互作用光導波路5aを伝搬する光のスポットサイズも広がる。相互作用光導波路5a、5bを伝搬する光のスポットサイズが広くなるということは等価的には相互作用光導波路5aと5bの間の距離Gwg’が狭くなったことに対応するので、2本の相互作用光導波路5aと5bの等価屈折率を変えて結合を抑圧する効果の一部を相殺してしまい、充分な効果を上げることができない。 However, this second prior art has several problems. First, it is considered that the widths of the interaction optical waveguides 5a and 5b are made different while the distance Swg ′ between the centers of the interaction optical waveguides 5a and 5b is kept constant. For example, the width W a ′ of the interaction optical waveguide 5a is narrowed, and the width W b ′ of the interaction optical waveguide 5b is increased. In this case, since the width W a ′ of the interaction optical waveguide 5a is narrowed, the light propagating through the interaction optical waveguide 5a leaks out of the interaction optical waveguide 5a, and as a result, the spot size increases. Further, since the width W b ′ of the interaction optical waveguide 5b is increased, the spot size of light propagating through the interaction optical waveguide 5a is also increased. Since the increase in the spot size of light propagating through the interaction optical waveguides 5a and 5b corresponds to the reduction in the distance Gwg 'between the interaction optical waveguides 5a and 5b, A part of the effect of suppressing the coupling by changing the equivalent refractive index of the interaction optical waveguides 5a and 5b is canceled out, so that a sufficient effect cannot be obtained.

一方、図14において中心導体4aのエッジと相互作用光導波路5bのエッジとの距離を一定にしたまま、相互作用光導波路5bの幅W’を広げると、中心導体4aのエッジと相互作用光導波路5bの中心の距離Δが大きくなることになり、図12に示したように駆動電圧を評価する尺度であるVπ・Lが大きくなってしまう。 On the other hand, when the width W b ′ of the interaction optical waveguide 5b is widened while keeping the distance between the edge of the center conductor 4a and the edge of the interaction optical waveguide 5b constant in FIG. 14, the edge of the center conductor 4a and the interaction light are increased. The distance Δ at the center of the waveguide 5b is increased, and Vπ · L, which is a measure for evaluating the drive voltage, is increased as shown in FIG.

また、図15に示すように、この第2の従来技術では、相互作用光導波路3a、3bの幅W’、W’を部分的に変えており、図15の中の6、7、8、9、10、11は幅が変化するそのテーパ領域である。よく知られているように、このように光導波路の幅を変えると、その領域において放射損失が生じる。そのため、相互作用光導波路3a、3bを伝搬する光のパワーが互いに異なってしまい、光変調器としての消光比が劣化してしまう。 Further, as shown in FIG. 15, in the second prior art, the widths W a ′ and W b ′ of the interaction optical waveguides 3a and 3b are partially changed, and 6, 7 and 7 in FIG. Reference numerals 8, 9, 10, and 11 denote the tapered regions whose width changes. As is well known, when the width of the optical waveguide is changed in this way, radiation loss occurs in that region. Therefore, the powers of light propagating through the interaction optical waveguides 3a and 3b are different from each other, and the extinction ratio as an optical modulator is deteriorated.

以上のように、駆動電圧を下げるために、第1の従来技術のように、2本の相互作用光導波路を中心導体に近づけると、2本の相互作用光導波路が互いに近づく。そのため、光が結合し、結果的に消光比の劣化を生じてしまう。また、第2の従来技術のように、2本の相互作用光導波路の幅を異ならしめると、等価的には2本の相互作用光導波路間の距離が狭くなったことに対応するので、2本の相互作用光導波路5aと5bの等価屈折率を変えて結合を抑圧する効果の一部を相殺してしまい、充分な効果を上げることができない、駆動電圧が上昇する、あるいは光変調器の消光比が劣化してしまうという問題があった。   As described above, when the two interactive optical waveguides are brought close to the central conductor as in the first prior art in order to reduce the drive voltage, the two interactive optical waveguides approach each other. As a result, light is combined, resulting in deterioration of the extinction ratio. Further, as in the second prior art, if the widths of the two interaction optical waveguides are made different, this corresponds to the fact that the distance between the two interaction optical waveguides becomes narrower. A part of the effect of suppressing the coupling by changing the equivalent refractive index of the interactive optical waveguides 5a and 5b is canceled out, so that the sufficient effect cannot be obtained, the drive voltage is increased, or the optical modulator There was a problem that the extinction ratio deteriorated.

上記課題を解決するために、本発明の請求項1の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極を有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路を有するマッハツェンダ光導波路を具備し、それぞれの前記複数の相互作用光導波路が、前記光導波路の長手方向に対し垂直となる断面において前記複数の相互作用光導波路の屈折率が互いに異なる領域を、長手方向の一部に少なくとも1つ以上具備することを特徴とする。   In order to solve the above problems, an optical modulator according to claim 1 of the present invention includes a substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide for guiding light formed on the substrate, and one of the substrates. A traveling wave electrode formed on the surface side and made up of a center conductor and a ground conductor for a high frequency electrical signal for applying a high frequency electrical signal for modulating the light; Comprising a Mach-Zehnder optical waveguide having a plurality of interacting optical waveguides for modulating the phase of the light by applying the high-frequency electric signal, each of the plurality of interacting optical waveguides being in the longitudinal direction of the optical waveguide At least one region having different refractive indexes of the plurality of interactive optical waveguides in a cross section perpendicular to the longitudinal direction.

本発明の請求項2の光変調器は、請求項1に記載の光変調器において、前記長手方向における前記屈折率の大小関係が、相対向する前記相互作用光導波路間において入れ替わるように、前記領域がそれぞれの前記相互作用光導波路に具備されていることを特徴とする。   The optical modulator according to claim 2 of the present invention is the optical modulator according to claim 1, wherein the magnitude relationship of the refractive index in the longitudinal direction is switched between the mutually interacting optical waveguides. A region is provided in each of the interacting optical waveguides.

本発明の請求項3の光変調器は、請求項2に記載の光変調器において、前記高周波電気信号により変調された前記光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする。   An optical modulator according to a third aspect of the present invention is the optical modulator according to the second aspect, wherein the two optical elements facing each other are arranged so that chirping of the light modulated by the high-frequency electrical signal becomes substantially zero. The relationship between the refractive indexes of the interacting optical waveguides is such that the length of the region is changed in the longitudinal direction of the interacting optical waveguide.

本発明の請求項4の光変調器は、請求項2乃至3に記載の光変調器において、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてLとLの長さをもって入れ替わり、該Lと該LがL<Lの関係を満たすことを特徴とする。 An optical modulator according to a fourth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the second to third aspects, wherein the magnitude relationship of the refractive indices of the two interacting optical waveguides facing each other is the length of the interactive optical waveguide. In the direction, the lengths of L 1 and L 2 are interchanged, and L 1 and L 2 satisfy the relationship of L 1 <L 2 .

本発明の請求項5の光変調器は、請求項2乃至3に記載の光変調器において、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてL、L、Lの長さをもって入れ替わり、該L、該L、該LがL=L=L/2の関係をほぼ満たすことを特徴とする。 An optical modulator according to a fifth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the second to third aspects, wherein a refractive index magnitude relationship between the two interacting optical waveguides facing each other is a length of the interactive optical waveguide. replaced with a length of L 1, L 2, L 3 in the direction, said L 1, said L 2, wherein L 3 is characterized in that substantially satisfy a relation of L 1 = L 3 = L 2 /2.

本発明の請求項6の光変調器は、請求項2乃至4に記載の光変調器において、前記高周波電気信号に基づいた所定の変調周波数の帯域内で、前記相互作用光導波路から出射される光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するように、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする。   An optical modulator according to a sixth aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the second to fourth aspects, wherein the optical modulator is emitted from the interactive optical waveguide within a predetermined modulation frequency band based on the high-frequency electrical signal. The refractive index in the two interacting optical waveguides facing each other so that the sign of the alpha parameter representing the chirping magnitude of the optical signal pulse changes from plus to minus or from minus to plus as the modulation frequency changes. The size relationship is set to the length of the region where the optical waveguide is switched in the longitudinal direction of the optical waveguide.

本発明の請求項7の光変調器は、請求項2乃至4に記載の光変調器において、前記高周波電気信号に基づいた所定の周波数帯域における前記アルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるように、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする。   An optical modulator according to a seventh aspect of the present invention is the optical modulator according to any one of the second to fourth aspects, wherein an integration value for the frequency of the alpha parameter in a predetermined frequency band based on the high-frequency electrical signal is substantially zero. As described above, the length of the region where the magnitude relationship of the refractive index of the two interacting optical waveguides facing each other is changed in the longitudinal direction of the interactive optical waveguide is set.

請求項1の発明では、マッハツェンダを構成する2本の相互作用光導波路の屈折率を互いに変えることにより、2本の相互作用光導波路の間における光結合を抑圧できるので、消光比を改善できる。   According to the first aspect of the present invention, since the optical coupling between the two interactive optical waveguides can be suppressed by changing the refractive indexes of the two interactive optical waveguides constituting the Mach-Zehnder, the extinction ratio can be improved.

請求項2の発明では、請求項1に記載の光変調器において、相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わることにより、消光比を改善できるとともにチャーピングを小さくできる。   According to a second aspect of the present invention, in the optical modulator according to the first aspect, the extinction ratio is improved by switching the magnitude relationship between the refractive indexes of the two interacting optical waveguides facing each other in the longitudinal direction of the optical waveguide. In addition to reducing chirping.

請求項3の発明では請求項2に記載の光変調器において相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる領域の長さを適切に設定することにより、消光比を改善できるとともにチャーピングをほぼゼロとできる。   According to a third aspect of the present invention, in the optical modulator according to the second aspect, the length of the region where the refractive index magnitude relationship between the two interacting optical waveguides facing each other interchanges in the longitudinal direction of the optical waveguide is appropriately set. As a result, the extinction ratio can be improved and chirping can be made almost zero.

請求項4の発明では、請求項2から3に記載の光変調器において、屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる領域の長さをLとLとすると、中心導体と接地導体から構成される進行波電極を伝搬する高周波電気信号の伝搬損失を考慮して、L<Lとすることにより消光比を改善できるとともにチャーピングを小さく、あるいはゼロにできる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical modulator according to the second to third aspects, if the length of the region where the magnitude relationship of the refractive index interchanges in the longitudinal direction of the optical waveguide is L 1 and L 2 , Considering the propagation loss of the high-frequency electrical signal propagating through the traveling wave electrode composed of the ground conductor, the extinction ratio can be improved and the chirping can be reduced or made zero by setting L 1 <L 2 .

請求項5の発明では、請求項2から3に記載の光変調器において、前記相対向する2本の光導波路の屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向においてL、L、Lの長さをもって入れ替わり、それらの長さL、L、LがL=L=L/2の関係を満たすことにより、消光比を改善できるとともにチャーピングを小さく、あるいはほぼゼロとできる。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical modulator according to the second to third aspects, the magnitude relationship between the refractive indexes of the two optical waveguides facing each other is L 1 , L 2 , L in the longitudinal direction of the optical waveguide. replaced with a length of 3, by their length L 1, L 2, L 3 satisfy the relationship of L 1 = L 3 = L 2 /2, small chirping is possible improve the extinction ratio, or almost Can be zero.

請求項6の発明では、請求項2から4に記載の光変調器において、屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる領域の長さを適切に設定することにより、光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するので、極めて小さなチャーピング特性を実現できる。   According to a sixth aspect of the present invention, in the optical modulator according to the second to fourth aspects, by appropriately setting the length of the region where the magnitude relationship of the refractive index is switched in the longitudinal direction of the optical waveguide, Since the sign of the alpha parameter indicating the magnitude of chirping changes from plus to minus or from minus to plus as the modulation frequency changes, extremely small chirping characteristics can be realized.

請求項7の発明では、請求項2から4に記載の光変調器において、屈折率の大小関係が相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定することにより、アルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるので、極めて小さなチャーピング特性を実現できる。   According to a seventh aspect of the present invention, in the optical modulator according to the second to fourth aspects, by setting the length of the region where the magnitude relationship of the refractive index is switched in the longitudinal direction of the interactive optical waveguide, the frequency of the alpha parameter is set. Since the integral value for is almost zero, extremely small chirping characteristics can be realized.

以下、本発明の実施形態について説明するが、図8から図15に示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. Since the same numbers as those in the prior art shown in FIGS. 8 to 15 correspond to the same function units, description of the function units having the same numbers is omitted here.

[第1の実施形態]
図1に本発明における第1の実施形態の断面図を示す。また、図2には光導波路12についての上面図を示している。ここで、12a、12bは相互作用光導波路、13a、13bは相互作用光導波路12a、12bに設けた高屈折率領域、W’’、W’’は高屈折率領域13a、13bを含む相互作用光導波路12a、12bの幅であり、ここでは等しいとする(つまりW’’=W’’で、例えばW’’、W’’とも9μm)。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a top view of the optical waveguide 12. Here, 12a and 12b are interactive optical waveguides, 13a and 13b are high refractive index regions provided in the interactive optical waveguides 12a and 12b, and W a ″ and W b ″ include high refractive index regions 13a and 13b. The widths of the interaction optical waveguides 12a and 12b are assumed to be equal (that is, W a ″ = W b ″, for example, W a ″ and W b ″ are both 9 μm).

wg’’は高屈折率領域13a、13bを含む相互作用光導波路12aと12bの間の距離(導波路ギャップ)であり、例えば16μmである。また、Swg’’は高屈折率領域13a、13bを含む相互作用光導波路12aと12bの中心間の距離である(この例では25μmとなる)。Δは中心導体4aのエッジと高屈折率領域13a、13bを含む相互作用光導波路12a、もしくは12bの中心との距離である(この図では中心導体4aのエッジと相互作用光導波路12bの中心との距離としている)。 G wg ″ is a distance (waveguide gap) between the interactive optical waveguides 12a and 12b including the high refractive index regions 13a and 13b, and is, for example, 16 μm. S wg ″ is the distance between the centers of the interactive optical waveguides 12a and 12b including the high refractive index regions 13a and 13b (in this example, it is 25 μm). Δ is the distance between the edge of the central conductor 4a and the center of the interactive optical waveguide 12a including the high refractive index regions 13a and 13b or 12b (in this figure, the edge of the central conductor 4a and the center of the interactive optical waveguide 12b) ).

図2において、相互作用光導波路12a、12bの長さLの領域(以下、第1領域と呼ぶ)では相互作用光導波路12aにおける高屈折率領域13aの屈折率が相互作用光導波路12bの屈折率よりも高く、長さLの領域(以下、第2領域と呼ぶ)では相互作用光導波路12bにおける高屈折率領域13bの屈折率が相互作用光導波路12aの屈折率よりも高い。この様子を図1と図2のC−C’に対応する屈折率分布として図3に示す。 2, the interaction optical waveguides 12a, 12b in the region of the length L 1 (hereinafter, the first region hereinafter) refraction of the refractive index of the interaction optical waveguide 12b of the high refractive index region 13a in the interaction optical waveguides 12a higher than the rate, the area of the length L 2 (hereinafter, the second region is referred to as a) the refractive index of the high refractive index region 13b in the interaction optical waveguides 12b is higher than the refractive index of the interaction optical waveguides 12a. This state is shown in FIG. 3 as a refractive index distribution corresponding to CC ′ in FIGS.

なお、この構造を製作するには以下の手順で行う。まず、図2において通常のマッハツェンダ光導波路12の形状にレジストパターンを形成した後、金属Tiを蒸着する。さらに13a、13bの領域の形状にレジストパターンを形成した後、Tiを追加蒸着する。そして、両者を一度に熱拡散することにより相互作用光導波路12a、12bに高屈折率領域13a、13bを形成できる。   This structure is manufactured by the following procedure. First, after forming a resist pattern in the shape of the normal Mach-Zehnder optical waveguide 12 in FIG. 2, metal Ti is vapor-deposited. Further, after a resist pattern is formed in the shape of the regions 13a and 13b, Ti is additionally deposited. And high refractive index area | regions 13a and 13b can be formed in the interaction optical waveguides 12a and 12b by thermally diffusing both at once.

ここで、長さLの第1領域において、高屈折率領域13aと相互作用光導波路12bとの屈折率差をΔnとすると、高屈折率領域13aを含む相互作用光導波路12aと相互作用光導波路12bを伝搬する光の結合度と屈折率差の絶対値|Δn|(但し、ここでは|Δn|=Δn)との関係を図4に示す。図からわかるように屈折率差Δnが大きくなると、高屈折率領域13a、13bを含む2本の相互作用光導波路12a、12bを伝搬する光の結合度は著しく小さくなる。なお、長さLの第2領域においても、高屈折率領域13bと相互作用光導波路12aとの屈折率差をΔnとすると、高屈折率領域13bを含む相互作用光導波路12bと相互作用光導波路12aを伝搬する光の結合度と屈折率差の絶対値|Δn|との関係も図4と同様に与えられる。 Here, in the first region of the length L 1, and the refractive index difference between the high refractive index region 13a and the interaction optical waveguide 12b and [Delta] n, the interaction optical waveguides 12a and interaction optical guide comprising a high refractive index region 13a FIG. 4 shows the relationship between the degree of coupling of light propagating through the waveguide 12b and the absolute value | Δn | (here, | Δn | = Δn) of the refractive index difference. As can be seen from the figure, when the refractive index difference Δn is increased, the degree of coupling of light propagating through the two interactive optical waveguides 12a and 12b including the high refractive index regions 13a and 13b is significantly reduced. Also in the second region of length L 2, and the refractive index difference between the high refractive index region 13b and the interaction optical waveguides 12a and [Delta] n, the interaction optical waveguide 12b and the interaction optical guide comprising a high refractive index region 13b The relationship between the degree of coupling of light propagating through the waveguide 12a and the absolute value | Δn | of the refractive index difference is also given in the same manner as in FIG.

本発明の第1の実施形態では第2の従来技術とは異なり、高屈折率領域13a、13bを含む相互作用光導波路12a、12bの幅W’’、W’’が等しくても、屈折率が互いに異なる。そのため、相互作用光導波路12a、12bを伝搬する光の等価屈折率(あるいは伝搬定数)を異ならしめることができ、2本の相互作用光導波路12a、12bを伝搬する光の結合を抑圧することができる。この場合、相互作用光導波路12a、12bの幅を変える必要がないため、中心導体4aのエッジと相互作用光導波路12a、12bの中心との距離Δが変わらないので、第2の従来技術の説明で述べたような駆動電圧の上昇は起こらない利点がある。 In the first embodiment of the present invention, unlike the second prior art, even though the widths W a ″ and W b ″ of the interactive optical waveguides 12a and 12b including the high refractive index regions 13a and 13b are equal, Refractive indexes are different from each other. Therefore, the equivalent refractive index (or propagation constant) of light propagating through the interaction optical waveguides 12a and 12b can be made different, and the coupling of light propagating through the two interaction optical waveguides 12a and 12b can be suppressed. it can. In this case, since it is not necessary to change the width of the interaction optical waveguides 12a and 12b, the distance Δ between the edge of the center conductor 4a and the center of the interaction optical waveguides 12a and 12b does not change. There is an advantage that the drive voltage does not increase as described in the above.

また、前述のように、第2の従来技術として示した図15のテーパ領域6、7、8、9、10、11では相互作用光導波路の幅が変化するので放射損失が生じ、その結果、光変調器としての挿入損失の劣化や消光比の劣化を招いていた。一方、本発明の第1の実施形態にはそのようなテーパ領域は存在しないので、テーパ領域に起因する放射損失は生じない。さらに、本発明では高屈折率領域13a、13bはTiを追加蒸着した後の熱拡散により形成する。図15に示した第2の従来技術におけるテーパ領域6、7、8、9、10、11と比較して、熱拡散により形成した屈折率の変化は緩やかなので放射損失は生じにくい。従って、本実施形態は挿入損失や消光比の観点から有利な構造といえる。   Further, as described above, in the taper regions 6, 7, 8, 9, 10, and 11 shown in FIG. 15 shown as the second prior art, the width of the interactive optical waveguide changes, so that radiation loss occurs, and as a result, As a result, the insertion loss and the extinction ratio of the optical modulator are deteriorated. On the other hand, since such a tapered region does not exist in the first embodiment of the present invention, radiation loss caused by the tapered region does not occur. Furthermore, in the present invention, the high refractive index regions 13a and 13b are formed by thermal diffusion after additional deposition of Ti. Compared with the tapered regions 6, 7, 8, 9, 10, and 11 in the second prior art shown in FIG. 15, since the change in the refractive index formed by thermal diffusion is gradual, radiation loss hardly occurs. Therefore, this embodiment can be said to be an advantageous structure from the viewpoint of insertion loss and extinction ratio.

さて、ここでチャーピングについて考える。チャーピングの度合いを表すアルファパラメータ(あるいは、αパラメータ)はこの光変調器から出力される光信号パルスが有する位相φと強度(振幅)Eとを用いて(1)式のように表現できる(非特許文献1)。   Now think about chirping. The alpha parameter (or α parameter) representing the degree of chirping can be expressed as in equation (1) using the phase φ and intensity (amplitude) E of the optical signal pulse output from the optical modulator ( Non-patent document 1).

α=[dφ/dt]/[(1/E)(dE/dt)] …(1)
このように、αパラメータは、出力される光信号パルスが有する位相変化量と強度変化量を用いて表現できる。
α = [dφ / dt] / [(1 / E) (dE / dt)] (1)
Thus, the α parameter can be expressed using the phase change amount and the intensity change amount of the output optical signal pulse.

さらに、具体的には、αパラメータは、(1)式を発展させた(2)式で表現できる。   More specifically, the α parameter can be expressed by equation (2) obtained by developing equation (1).

α=(Γ1―Γ2)/(Γ1+Γ2) …(2)
Γ1;電気信号(振幅)と相互作用光導波路12a(13aを含む)を伝搬する光(パワー)との1で規格化した重なり積分で示した効率
Γ2;電気信号(振幅)と相互作用光導波路12b(13bを含む)を伝搬する光(パワー)との1で規格化した重なり積分で示した効率
長さL1の第1領域においては、高屈折率領域13aは相対向する相互作用光導波路12bよりも屈折率が高い。一方、長さLの第2領域においては、高屈折率領域13bは相対向する相互作用光導波路12aよりも屈折率が高い。一般に、屈折率が高い領域13a、13bを伝搬する光のスポットサイズは小さくなるので、その領域における高周波電気信号の振幅と光のパワーとの重なり積分は相対向する屈折率が低い相互作用光導波路12b、12aを伝搬する光との重なり積分より大きくなる。従って、第1領域においてはΓがΓよりも大きく、また第2領域においてはΓがΓよりも大きくなる。
α = (Γ 1 −Γ 2 ) / (Γ 1 + Γ 2 ) (2)
Γ 1 ; Efficiency expressed by overlap integral normalized by 1 between the electric signal (amplitude) and the light (power) propagating through the interaction optical waveguide 12a (including 13a) Γ 2 ; Interaction with the electric signal (amplitude) In the first region of efficiency length L 1 indicated by the overlap integral normalized by 1 with the light (power) propagating through the optical waveguide 12b (including 13b), the high refractive index region 13a has an opposing interaction. The refractive index is higher than that of the optical waveguide 12b. On the other hand, in the second region of length L 2, the high refractive index region 13b has a higher refractive index than the interaction optical waveguides 12a opposed to each other. In general, since the spot size of light propagating through the regions 13a and 13b having a high refractive index is small, the overlap integral between the amplitude of the high-frequency electric signal and the light power in the region is an interactive optical waveguide having a low refractive index facing each other. It becomes larger than the overlap integral with the light propagating through 12b and 12a. Thus, greater than gamma 1 are gamma 2 in the first region, and greater than 1 gamma 2 is gamma in the second region.

その結果、図2に示した第1の実施形態において第1領域の長さLを有限、第2領域の長さLを0とした場合には、相互作用光導波路12a、12bの間の距離を近づけることが可能となり、駆動電圧を低減できても上記で説明したΓとΓの値が異なることになり、チャーピングが生じることが予想される。 As a result, the first embodiment finite length L 1 of the first region in shown in FIG. 2, when the length L 2 of the second region is set to 0, the interaction optical waveguides 12a, 12b between the Thus, even if the driving voltage can be reduced, the values of Γ 1 and Γ 2 described above are different, and chirping is expected to occur.

図2において第1領域の長さLと第2領域の長さLを有限長として、このチャーピングを小さくする、あるいは無くすことを考える。高周波電気信号を中心導体4aと接地導体4b、4cから構成される進行波電極4に印加した状態において、中心導体4aと接地導体4b、4cとからなる進行波電極4の高周波電気信号の周波数fにおけるマイクロ波伝搬損失をβm(f)とし、中心導体4aにおける、長さLの第1領域と、長さL2の第2領域において、高屈折率領域13a、13bを含む相互作用光導波路12a、12bを伝搬する光と電気信号との相互作用の効率をそれぞれI(f)、I(f)と表す。 In FIG. 2, it is considered that the length L 1 of the first region and the length L 2 of the second region are finite lengths to reduce or eliminate this chirping. In a state where a high frequency electric signal is applied to the traveling wave electrode 4 composed of the center conductor 4a and the ground conductors 4b and 4c, the frequency f of the high frequency electrical signal of the traveling wave electrode 4 composed of the center conductor 4a and the ground conductors 4b and 4c. the microwave propagation loss and beta m (f) in, in the center conductor 4a, a first region of length L 1, in the second region of length L 2, the interaction optical guide comprising a high refractive index regions 13a, 13b The efficiency of the interaction between the light propagating through the waveguides 12a and 12b and the electric signal is expressed as I 1 (f) and I 2 (f), respectively.

光及び電気信号の伝搬方向をzとすると、各相互作用の効率I(f)、I(f)は周波数fに依存し、(3)、(4)式で記述できる。 If the propagation direction of the optical and electrical signals is z, the efficiency of each interaction I 1 (f), I 2 (f) depends on the frequency f, and can be described by equations (3) and (4).

(f)=∫0 L1 exp(−β(f)・z)dz
=(1−exp(−β(f)・L))/β(f) …(3)
(f)=∫L1 L2 exp(−β(f)・z)dz
=exp(−β(f)・L)・(1−exp(−β(f)・L))/β(f)
…(4)
そこで、両者の相互作用の効率I(f)、I(f)が等しくなる(5)式の条件
(f)=I(f) …(5)
を満たす第1領域の長さLと、第2領域の長さLを設定することにより、任意に指定された周波数fにおいてチャーピングをゼロとできる。つまり、(5)式が成立する場合にはαパラメータがゼロとなる。
I 1 (f) = ∫ 0 L1 exp (−β m (f) · z) dz
= (1-exp (-β m (f) · L 1)) / β m (f) ... (3)
I 2 (f) = ∫ L1 L2 exp (−β m (f) · z) dz
= Exp (-β m (f) · L 1) · (1-exp (-β m (f) · L 2)) / β m (f)
…(Four)
Therefore, the conditions I 1 (f) = I 2 (f) (5) in which the efficiency of the interaction I 1 (f) and I 2 (f) are equal to each other.
The length L 1 of the first area that satisfies, by setting the length L 2 of the second region can chirping zero at arbitrarily designated frequency f. That is, the α parameter is zero when the equation (5) is satisfied.

(5)式を満たす第1領域の長さLと第2領域の長さLから、第1領域の長さLにおける相互作用の効率I(f)、第2領域の長さLにおける相互作用の効率I(f)を求め、さらに、前述した(2)式を用いて、高周波電気信号の各周波数fにおけるαパラメータの周波数特性が求まる。 From the length L 1 of the first region and the length L 2 of the second region that satisfy the formula (5), the interaction efficiency I 1 (f) in the length L 1 of the first region, the length of the second region The interaction efficiency I 2 (f) in L 2 is obtained, and further, the frequency characteristic of the α parameter at each frequency f of the high-frequency electric signal is obtained using the above-described equation (2).

図5(a)、図5(b)に求めたαパラメータの周波数特性を示す。図5(a)には、印加された高周波電気信号の周波数fの増加に伴ってαパラメータはその符号がマイナス(−)からプラス(+)へ変化する周波数特性を示し、図5(b)には、高周波電気信号の周波数fの増加に伴ってその符号がプラス(+)からマイナス(−)へ変化するαパラメータの周波数特性を示す。   FIG. 5A and FIG. 5B show the frequency characteristics of the α parameter obtained. FIG. 5A shows a frequency characteristic in which the α parameter changes in sign from minus (−) to plus (+) as the frequency f of the applied high-frequency electrical signal increases, and FIG. Shows the frequency characteristic of the α parameter whose sign changes from plus (+) to minus (−) as the frequency f of the high-frequency electrical signal increases.

このように、印加された高周波電気信号の周波数fにおけるDC付近の低周波領域と高周波領域においてチャーピング量を表すαパラメータの符号が入れ替わるように、第1領域の長さLと、それに続く第2領域の長さLを設定している。これを実現するためには、L/L=0.85であった。すなわち、第2領域の長さLを第1領域の長さLより若干長く設定する必要がある。但し、この値は電極の構造により変わるので、第1領域の長さLと第2領域の長さLの比はこの限りではないことは言うまでもない。 As described above, the length L 1 of the first region is followed so that the sign of the α parameter indicating the chirping amount is switched in the low frequency region near DC and the high frequency region at the frequency f of the applied high frequency electrical signal. and set the length L 2 of the second region. In order to realize this, L 1 / L 2 = 0.85. That is, it is necessary to set slightly longer than the length L 1 of the length L 2 of the second region the first region. However, since this value may vary depending on the structure of the electrode, it is needless to say the length of the first region L 1 and the ratio of the length L 2 of the second region is not limited to this.

なお、注意すべきはαパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある周波数でのみゼロとなる場合にも(5)式を満足することができるが、光変調器から出射する光信号パルスにとって重要なことは、必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることが更に有効である。   Note that (5) can be satisfied even when the α parameter is always positive or always negative and is zero only at a certain frequency, but it is important for the optical signal pulse emitted from the optical modulator. What is more effective is that the α parameter is set to zero on average within the required predetermined frequency band.

(非特許文献1)Nadege Courjal et al “Modeling and Optimization of Low Chirp LiNbO3 Mach-Zehnder Modulators With an Inverted Ferroelectric Domain Section “Journal of Lightwave Technology vol.22 No.5 May 2004
さらに、上記で述べた本発明の光変調器のチャーピング特性を改善することを考える。つまり、上記の光変調器の構成では出射した光信号パルスのチャーピングはかなり小さくなるものの、光通信システムでは伝送される光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることがより強く求められる。
(Non-Patent Document 1) Nadege Courjal et al “Modeling and Optimization of Low Chirp LiNbO3 Mach-Zehnder Modulators With an Inverted Ferroelectric Domain Section“ Journal of Lightwave Technology vol.22 No.5 May 2004
Furthermore, consider improving the chirping characteristics of the optical modulator of the present invention described above. In other words, the chirping of the emitted optical signal pulse is considerably reduced in the configuration of the optical modulator described above, but the α parameter is zero on average within a predetermined frequency band necessary for the transmitted optical signal pulse in the optical communication system. Is more strongly demanded.

図6(a)、図6(b)に示すように、光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域における最大周波数をfmaxとし、図6(a)に示すように、周波数fの増加に伴ってαパラメータの符号がマイナス(−)からプラス(+)へ変化する場合を考える。αパラメータの周波数特性のうちの、DC近傍からαパラメータがゼロとなる周波数f0までのαパラメータをα(f)とし、周波数fから最大周波数fmaxまでのαパラメータをα(f)とすると、
f0α(f)df=∫f0 fmaxα(f)df …(6)
となるように、第1領域の長さLと、第2領域の長さLを設定する。このことは、図6(a)において面積Sと面積Sとを等しくすることに対応する。
As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the maximum frequency in a predetermined frequency band required for the optical signal pulse is set to f max, and as shown in FIG. 6 (a), the frequency f increases. Let us consider a case where the sign of the α parameter changes from minus (−) to plus (+). Of the frequency characteristics of the α parameter, the α parameter from the vicinity of DC to the frequency f 0 where the α parameter becomes zero is α 1 (f), and the α parameter from the frequency f 0 to the maximum frequency f max is α 2 (f )
0 f0 α 1 (f) df = ∫ f0 fmax α 2 (f) df (6)
The length L 1 of the first region and the length L 2 of the second region are set so that This corresponds to making the area S 1 and the area S 2 equal in FIG.

また、図6(b)に示すように、周波数fの増加に伴ってαパラメータの符号がプラス(+)からマイナス(−)へ変化する場合を考える。DC近傍からαパラメータがゼロとなる周波数fまでのαパラメータをα(f)とし、周波数fから最大周波数fmaxまでのαパラメータをα(f)とすると、
f0α(f)df=∫f0 fmaxα(f)df …(7)
となるように、第1領域の長さLと、第2領域の長さLを設定する。このことは、図6(b)において面積Sと面積Sとを等しくすることに対応する。
Further, as shown in FIG. 6B, consider a case where the sign of the α parameter changes from plus (+) to minus (−) as the frequency f increases. If the α parameter from the vicinity of DC to the frequency f 0 where the α parameter becomes zero is α 3 (f), and the α parameter from the frequency f 0 to the maximum frequency f max is α 4 (f),
0 f0 α 3 (f) df = ∫ f0 fmax α 4 (f) df (7)
The length L 1 of the first region and the length L 2 of the second region are set so that This corresponds to making the area S 3 and the area S 4 equal in FIG. 6B.

これを実現するためには、L/L=0.76が好ましい値であった。但し、この値は電極の構造により変わるので、この限りではないことは言うまでもない。また、光信号パルスに含まれる最大周波数は光伝送方式によって異なるので、例として図示した実施形態の限りではない。 In order to realize this, L 1 / L 2 = 0.76 was a preferable value. However, since this value varies depending on the electrode structure, it is needless to say that this is not the case. Further, the maximum frequency included in the optical signal pulse differs depending on the optical transmission method, and is not limited to the embodiment illustrated as an example.

なお、図5(a)、図5(b)に示す光変調器においてαパラメータをゼロにする周波数と、図6(a)、図6(b)に示す光変調器において(6)、(7)式を満たす周波数fとは当然異なっている。 5 (a) and 5 (b), the frequency at which the α parameter is made zero, and the optical modulators shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) (6), ( Naturally, it is different from the frequency f 0 satisfying the equation (7).

さらに、電気信号をフーリエ変換した場合に、その電気信号が特定の周波数領域の成分を多く有する場合にはその周波数領域を表す重みW(f)を用いて、以下のように積分しても良い。   Further, when an electrical signal is Fourier-transformed and the electrical signal has many components in a specific frequency region, integration may be performed as follows using a weight W (f) representing the frequency region. .

f0α(f)W(f)df=∫f0 fmaxα(f)W(f)df
…(8)
[第2の実施形態]
図7には本発明の第2の実施形態を示す。なお、ここでは光変調器の構成要素のうち光導波路14のみを示す。本実施形態では相互作用光導波路14aには屈折率が高い2つの領域、つまり長さLの第1領域と長さLの第3領域を設け、相互作用光導波路14bには同じく屈折率が高い領域として長さLの第2領域を設けている。
0 f0 α 1 (f) W (f) df = ∫ f0 fmax α 2 (f) W (f) df
… (8)
[Second Embodiment]
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention. Here, only the optical waveguide 14 among the components of the optical modulator is shown. Two regions a high refractive index in the interaction optical waveguides 14a in the present embodiment, i.e. the first region and the third region of length L 5 of the length L 3 provided, similarly refractive index in the interaction optical waveguide 14b It is provided with the second region of length L 4 as a high region.

高周波電気信号は不図示の中心導体4aと接地導体4b、4cからなる進行波電極4を伝搬するとともに減衰するので、長さLの第1領域ではその強度が最も強く、長さLの第3領域ではその強度が最も弱い。また、長さLの第2領域ではその強度が第1領域と第3領域の中間である。従って、全体として光のチャーピングを充分小さくできることになる。なお、この考え方は相互作用光導波路14a、14bに3箇所よりも多くの高屈折率領域を設けても良いことは言うまでもない。 High frequency electric signal is the center electrode 4a and the ground electrodes 4b (not shown), since the attenuation while propagating a traveling wave electrode 4 made of 4c, in the first region of the length L 3 is the strongest intensity, the length L 5 In the third region, the intensity is the weakest. Further, in the second region of length L 4 whose intensity is intermediate the first region and the third region. Therefore, the chirping of light can be made sufficiently small as a whole. Needless to say, this approach may provide more than three high refractive index regions in the interaction optical waveguides 14a and 14b.

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments.

[各実施形態について]
以上においては、進行波電極としてはCPW電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ(ACPS)や対称コプレーナストリップ(CPS)などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。
[About each embodiment]
In the above description, the CPW electrode has been described as an example of the traveling wave electrode. However, it goes without saying that various traveling wave electrodes such as an asymmetric coplanar strip (ACPS) and a symmetric coplanar strip (CPS), or a lumped constant electrode may be used. .

また、以上の実施形態においては、x−カット、y−カットもしくはz−カットの面方位、即ち、基板表面(カット面)に対して垂直な方向に結晶のx軸、y軸もしくはz軸を持つ基板でも良いし、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いし、LN基板のみでなく、リチウムタンタレートや半導体などその他の基板でも良いことは言うまでもない。   In the above embodiment, the crystal orientation of x-cut, y-cut or z-cut, that is, the x-axis, y-axis or z-axis of the crystal is perpendicular to the substrate surface (cut plane). The surface orientation in each of the above-described embodiments may be a main surface orientation, and other surface orientations may be mixed as a surface orientation subordinate to this, and not only an LN substrate but also a lithium tantalum. It goes without saying that other substrates such as rates and semiconductors may be used.

以上のように、本発明に係る光変調器は、高速でアルファパラメータが小さく、かつ消光比が大きく、また駆動電圧とDCバイアス電圧が小さい光変調器として有用である。   As described above, the optical modulator according to the present invention is useful as an optical modulator having high speed, a small alpha parameter, a large extinction ratio, and a small driving voltage and DC bias voltage.

本発明の第1の実施形態の光変調器の断面図Sectional drawing of the optical modulator of the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態の光導波路の上面図The top view of the optical waveguide of the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態の光導波路の屈折率分布を示す図The figure which shows the refractive index distribution of the optical waveguide of the 1st Embodiment of this invention 光の結合度と|Δn|との関係を示す図The figure which shows the relationship between light coupling | bonding degree and | (DELTA) n |. 光のαパラメータの周波数特性を示す図The figure which shows the frequency characteristic of alpha parameter of light 光のαパラメータの周波数特性を示す図The figure which shows the frequency characteristic of alpha parameter of light 本発明の第2の実施形態の光導波路の上面図The top view of the optical waveguide of the 2nd Embodiment of this invention 第1の従来技術の斜視図Perspective view of the first prior art 第1の従来技術のA−A’線における断面図Sectional drawing in the A-A 'line of 1st prior art 第1の従来技術の光導波路の上面図Top view of first prior art optical waveguide 第1の従来技術の動作を説明する図The figure explaining operation | movement of 1st prior art Vπ・LとΔとの関係を示す図Diagram showing the relationship between Vπ · L and Δ 光の結合度とGwgとの関係を示す図The figure which shows the relationship between the coupling | bonding degree of light and Gwg 第2の従来技術の断面図Sectional view of the second prior art 第2の従来技術の光導波路の上面図Top view of second prior art optical waveguide

符号の説明Explanation of symbols

1:x−カットLN基板(基板)
2:SiOバッファ層(バッファ層)
3、5、12、14:光導波路
3a、3b、5a、5b、12a、12b、14a、14b:相互作用光導波路
4:進行波電極
4a:中心導体
4b、4c:接地導体
6、7,8,9,10、11:テーパ領域
13a、13b、15a、15b、15c:高屈折率領域
1: x-cut LN substrate (substrate)
2: SiO 2 buffer layer (buffer layer)
3, 5, 12, 14: Optical waveguide 3a, 3b, 5a, 5b, 12a, 12b, 14a, 14b: Interaction optical waveguide 4: Traveling wave electrode 4a: Center conductor 4b, 4c: Ground conductor 6, 7, 8 9, 10, 11: Tapered region 13a, 13b, 15a, 15b, 15c: High refractive index region

Claims (7)

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調するための高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極を有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための複数の相互作用光導波路を有するマッハツェンダ光導波路を具備する光変調器において、
それぞれの前記複数の相互作用光導波路が、前記光導波路の長手方向に対し垂直となる断面において前記複数の相互作用光導波路の屈折率が互いに異なる領域を、長手方向の一部に少なくとも1つ以上具備することを特徴とする光変調器。
A substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide for guiding light formed on the substrate, and a high-frequency electric signal formed on one surface side of the substrate for modulating the light A traveling wave electrode comprising a central conductor and a ground conductor for a high frequency electrical signal, and the optical waveguide has a plurality of components for modulating the phase of the light by applying the high frequency electrical signal to the traveling wave electrode. In an optical modulator comprising a Mach-Zehnder optical waveguide having an interactive optical waveguide,
Each of the plurality of interaction optical waveguides has at least one region in the longitudinal direction having a region where the refractive indexes of the plurality of interaction optical waveguides are different from each other in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide. An optical modulator comprising the optical modulator.
前記長手方向における前記屈折率の大小関係が、相対向する前記相互作用光導波路間において入れ替わるように、前記領域がそれぞれの前記相互作用光導波路に具備されていることを特徴とする請求項1に記載の光変調器。   The region is provided in each of the interaction optical waveguides so that the magnitude relationship of the refractive index in the longitudinal direction is switched between the interaction optical waveguides facing each other. The light modulator described. 前記高周波電気信号により変調された前記光のチャーピングがほぼゼロとなるように、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする請求項2に記載の光変調器。   The refractive index magnitude relationship between the two interacting optical waveguides facing each other is switched in the longitudinal direction of the interactive optical waveguide so that the chirping of the light modulated by the high-frequency electrical signal becomes substantially zero. 3. The optical modulator according to claim 2, wherein the length of the region is set. 前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてLとLの長さをもって入れ替わり、該Lと該LがL<Lの関係を満たすことを特徴とする請求項2乃至3に記載の光変調器。 The magnitude relationship between the refractive indexes of the two interacting optical waveguides facing each other is changed with the lengths of L 1 and L 2 in the longitudinal direction of the interactive optical waveguide, and L 1 and L 2 are L 1 <L The optical modulator according to claim 2, wherein the relationship 2 is satisfied. 前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向においてL、L、Lの長さをもって入れ替わり、該L、該L、該LがL=L=L/2の関係をほぼ満たすことを特徴とする請求項2乃至3に記載の光変調器。 The magnitude relationship between the refractive indexes of the two interacting optical waveguides facing each other is changed with the lengths L 1 , L 2 , and L 3 in the longitudinal direction of the interactive optical waveguide, and the L 1 , L 2 , L 3 is an optical modulator according to claim 2 or 3, characterized in that substantially satisfy a relation of L 1 = L 3 = L 2 /2. 前記高周波電気信号に基づいた所定の変調周波数の帯域内で、前記相互作用光導波路から出射される光信号パルスのチャーピングの大きさを表すアルファパラメータの符号が変調周波数変化に伴ってプラスからマイナスへ又はマイナスからプラスへ変化するように、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする請求項2乃至4に記載の光変調器。   The sign of the alpha parameter indicating the chirping magnitude of the optical signal pulse emitted from the interaction optical waveguide within a predetermined modulation frequency band based on the high-frequency electrical signal is changed from plus to minus with the modulation frequency change. The length of the region where the magnitude relationship of the refractive index in the two interacting optical waveguides facing each other is changed in the longitudinal direction of the optical waveguide is set so as to change from negative to positive. The optical modulator according to claim 2. 前記高周波電気信号に基づいた所定の周波数帯域における前記アルファパラメータの周波数についての積分値がほぼゼロとなるように、前記相対向する2本の相互作用光導波路における屈折率の大小関係が前記相互作用光導波路の長手方向において入れ替わる前記領域の長さを設定したことを特徴とする請求項2乃至4に記載の光変調器。   The magnitude relationship between the refractive indexes of the two interacting optical waveguides facing each other is such that the integral value for the frequency of the alpha parameter in a predetermined frequency band based on the high-frequency electrical signal is substantially zero. 5. The optical modulator according to claim 2, wherein a length of the region that is switched in a longitudinal direction of the optical waveguide is set.
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